叶片复杂曲面的机器人抛磨工艺规划

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工,对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先,通过平行截面法获得抛磨路径割线,以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着,提取曲线特征参数,根据设定的阈值进行抛磨点规划,再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划,从而得到完整的抛磨路径。然后,将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后,搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明,此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工,测得表面粗糙度分别为0.695~0.930μm和2.803~3.243μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划,使工具和工件保持最大接触,从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。     

基于力觉伺服轨迹规划的磨抛工业机器人曲面跟踪控制研究

为进一步提升工业机器人磨抛自由曲面时的轨迹跟踪控制技术,设计一种自由曲面磨抛轨迹自动生成方法。生成工件的STL模型,利用Bezier三角曲面拟合方法得到工件的拟合曲面,基于螺旋式磨抛轨迹实现自由曲面轨迹规划;利用等参数法和轨迹偏置的方法生成全部的轨迹,根据曲线路径曲率的变化,自适应调节控制点的间距,避免了曲线偏置时的干涉问题;在工业机器人腕处安装6D力传感器,利用力/位置混合控制方法对工业机器人进行运动轨迹跟踪控制。通过实验平台测试,验证该方法能够有效地进行曲面跟踪控制。     

复杂曲面加工工业机器人轨迹生成算法

提出了一种面向复杂曲面加工的工业机器人轨迹生成算法。该算法可用在工业机器人离线编程系统中;通过CAD/CAM技术完成复杂曲面的建模,并提取其STL文件格式数据;根据三角面片各点坐标在切片方向上投影的最大和最小值反求与此三角面片相交的切平面,并对三角面片分组,然后推导出三角面片边上相邻交点的增量公式,最后通过机器人编程得到复杂曲面的加工运动轨迹。仿真结果表明,该算法稳定可靠,而且可以生成任意复杂曲面的加工运动轨迹。     

轮毂曲面机器人力控磨抛路径规划方法

针对复杂轮毂曲面的机器人力控磨抛问题,根据预设的平行扫掠线模式进行曲面分割。在各子曲面,根据接触力及材料去除数值模型,构建以磨抛总量最大及残余磨抛量最小为目标的约束非线性优化问题,进而规划各路径离散点的驻留时间及相邻平行路径间距。通过解决非线性整数规划问题,对磨抛工具在子曲面间的抬降进行规划。实验结果表明,该算法能够规划出全覆盖磨抛路径,磨抛量达到预期,残余磨抛量较为平均,磨抛效率较高。     

一种基于动态外部TCP的工业机器人磨抛方法

在分析了复杂工件在工业机器人的磨抛应用情况之后,提出了一种基于动态外部TCP的工业机器人磨抛方法。以门把手作为研究对象,首先运用基于曲率的截面算法对门把手进行磨抛路径规划,求得轨迹离散点。其次根据截面截线在不同离散点的平均曲率、曲率半径求解出各点所对应的外部TCP。然后建立磨抛机器人基坐标系,根据规划的工件磨抛轨迹以DH算法求出机器人末端运行轨迹,再根据轨迹离散点与动态外部TCP的位姿转换关系求得实际机器人末端运行轨迹。最后采用Inte Robot离线编程软件仿真实验平台进行仿真验证,实验结果表明动态外部TCP算法可以达到较好的门把手打磨效果。     

面向飞机蒙皮的机器人喷涂轨迹规划

针对飞机蒙皮在线示教编程效率低、轨迹精度差及适用范围有限等问题,基于双目视觉三维扫描及CAD/CAM领域的加工模拟功能,提出一种根据三维模型的加工轨迹生成工业机器人喷涂轨迹的离线编程方法,为解决模型未知的复杂自由曲面喷涂问题提供了新思路。通过三维扫描获取飞机蒙皮表面点云并处理得到其三维模型,结合喷漆工艺,在Unigraphics加工模块中对三维模型加工轨迹进行参数化编程,提取轨迹点并调整喷枪姿态生成机器人喷涂路径;以飞机蒙皮为例进行喷涂仿真。结果表明:该离线编程方法的编程效率、轨迹精度明显优于在线示教编程;该编程方法对其他自由曲面同样具有适用性。     

直接示教机器人的位姿优化算法研究与实现

直接示教型机器人具有示教方便、操作简单等特点,在喷涂、弧焊、抛光等任务轨迹复杂的机器人加工领域具有较高的应用价值。但由于人手在直接示教时存在抖动,若直接采用示教轨迹点进行再现,机器人在运动过程中往往会产生振动,从而影响加工质量,甚至缩短机器人的使用寿命。针对上述问题,提出了一种基于曲线拟合的机器人位姿优化算法,可对机器人的位姿轨迹进行平滑处理。首先对直接示教轨迹进行均匀重采样,分别利用B样条曲线和四元数曲线对采样点位置数据和姿态信息进行拟合,然后采用泰勒展开法对曲线进行插补,最后通过实验验证了该算法的有效性,并将该算法应用于自行研制的六关节直接示教喷涂机器人,实验结果表明有效减小了机器人再现时的振动。     

一种面向叶片的机器人抛磨轨迹规划方法

为了实现对叶片的自动化抛磨加工,提高抛磨质量,提出了一种面向叶片的机器人抛磨轨迹生成方法。该方法在传统的分层切片算法的基础上改进了交点追踪方式,使生成的轨迹更加完善,效果更好。通过CAD/CAM技术对叶片进行建模,生成叶片的三角网格模型。对该模型进行分层切片处理,得到抛磨运动轨迹。在此基础上,确定机器人抛磨姿态并进行运动学逆向求解,得出机器人各关节运动转角。仿真与实验结果表明,该抛磨轨迹规划方法,可以有效提高叶片工件表面加工质量。     

基于UG加工信息的工业机器人离线编程

针对复杂运动轨迹难以通过机器人示教精确获取的问题,提出了基于UG加工信息提取工业机器人离线编程运动轨迹的规划方法:利用CAD/CAM技术,通过模拟加工轨迹生成数控NC代码,并对加工代码进行处理,提取加工轨迹的坐标点等相关信息进行重组,从而转换为机器人可识别的数据格式,实现机器人运动轨迹的数字化设计。最后以Staubli工业机器人为例进行离线编程,并在其虚拟控制平台上进行了实验,实现了机器人运动轨迹数字化设计,提高了机器人运动控制编程效率。     

基于精度控制的刀具轨迹自适应拟合算法

为解决传统数控系统在进行曲线曲面离散连续微小线段刀具轨迹加工中频繁加减速、加工速度缓慢、加工质量不高等问题,提出了一种基于精度控制的刀具轨迹自适应NURBS曲线拟合算法,该算法通过提取连续微小线段刀具轨迹的主要特征点,进行基于精度控制的自适应添加特征点的迭代拟合。仿真测试结果表明,该算法可以在保证拟合精度的条件下有效提高计算效率,压缩数据量。     

机器人磨抛加工接触稳态自适应力跟踪研究

磨抛加工作为复杂曲面制造的最后关键工序,直接决定着零件的轮廓精度与表面质量。机器人具有运动范围大、通用灵活与智能化等优势,结合砂带磨抛工艺被广泛应用于大型复杂曲面零件的加工。但机器人多轴耦合、末端响应速度慢与定位精度低等弊端导致磨抛加工接触力精准控制困难,难以实现机器人柔顺力控加工。针对机器人磨抛加工接触稳态力跟踪问题,在阻抗控制与基于环境参数估计的参考轨迹自适应生成方法上,提出采用遗传算法对位置误差引起的接触力误差进行补偿。结果表明,所提出的方法提高了机器人磨抛加工接触力的跟踪精度,接触稳态力跟踪误差降低约85.7%,具有较好的稳定性与可靠性,可以实现机器人在未知环境下的柔顺自适应加工。     

面向复杂曲面加工的虚拟夹具辅助机器人示教编程研究

为解决面向复杂曲面加工的机器人示教编程中虚拟夹具构造困难、难以依据操作者意图自适应调整等问题,提出一种虚拟夹具离线构造和在线迭代更新的辅助机器人示教编程策略。采用示教曲面流形离线构造先验虚拟夹具，若先验虚拟夹具吻合待加工曲面，则利用弹簧阻尼系统对示教路径偏差进行在线补偿，否则通过虚拟夹具刚柔性自适应调整实现迭代修正。研究结果表明，由曲面流形构造虚拟夹具简单且具有泛化特性，提高了复杂曲面虚拟夹具构造效率；以正弦/风扇轨迹作为虚拟夹具辅助示教，能使辅助示教路径位置误差、姿态误差分别降低至少84%、81%，并能根据操作者意图自适应调整虚拟夹具以更加吻合目标曲面。     

坯料网格边界延展及规则化算法

提出了一种毛坯边界非等距外延方法，即将毛坯边界节点非等距外延后，利用NURBS曲线拟合技术生成等距的新毛坯边界，再用NURBS曲面蒙皮算法生成平面，然后通过网格生成算法将生成平面离散成网格，最后用一种基于协方差矩阵特征值的坯料边界规则化算法来得到具有规则形状的坯料。     

NURBS曲面的参数化离散及其在数控加工干涉避免中的应用

复杂曲面加工中，如何快速、有效地筛选出特殊曲面点以进行刀具干涉判断是实现无干涉刀具路径生成的关键。通过推导有理Bezier曲面的参数离散算法并结合NURBS曲面可转化为有理Bezier曲面的性质，实现了NURBS曲面基于参数的离散。该离散结果保留了离散曲面点与曲面参数域的一一对应关系，通过切削点的参数信息可快速筛选出少量需进行干涉校验的离散曲面点，从而有效简化了刀具干涉检测计算。实例分析表明，该算法能在保证曲面离散精度的前提下提高无干涉刀具路径规划的效率。     

面向复杂曲面的机器人砂带磨抛路径规划及后处理研究

针对机器人砂带磨抛复杂曲面叶片问题,对叶片内外型面和进排气边的磨抛路径规划及后处理技术进行了研究,对复杂曲面叶片的机器人砂带磨抛路径规划的计算效率及加工效率进行了分析,提出了一种将基于等残留高度法的笛卡尔空间计算的磨抛行距转化为参数域空间的磨抛行距的方法,并将机器人砂带磨抛复杂曲面叶片接触轮的中心坐标位置、支撑轴矢量以及轴线矢量数据后处理为机器人的位姿信息,利用机器人砂带磨抛系统装备实验平台对复杂曲面叶片进行了实际的加工实验。研究结果表明:所提出的刀路规划和后处理技术能够有效地解决机器人砂带磨抛复杂曲面叶片的问题,具有加工路径总长短以及路径条数少的特点,计算简单、加工效率高、加工表面质量好。     

面向多联体叶片的机器人喷涂无干涉路径规划

多联体叶片存在曲面复杂、叶片间距小等结构特点。等离子喷涂为铸造多联体叶片的重要工序,可使叶片表面强化与改性,其喷涂质量直接决定叶片的成品率与性能。现有的机器人等离子喷涂的路径生成主要依靠手动示教,而喷涂过程中的喷涂距离与喷涂夹角无法量化导致喷涂质量不均且示教方法繁琐、效率低。基于此,提出一种面向多联体叶片的工业机器人等离子喷涂无干涉路径生成及光顺方法。首先,根据CAD模型,将多联体叶片型面转为非均匀有理B样条(NURBS)曲面,利用NURBS曲面解析特性,生成约束喷涂行距与喷涂叶片边缘距离的初始路径点;然后将喷涂焰流简化为方向包围盒,将干涉曲面转为三角面片,采用基于分离轴检测的方法进行碰撞干涉检测,生成考虑最小喷涂倾角约束的喷涂姿态。采用基于球面样条四元数插值变步长姿态优化方法进行姿态光顺,生成无干涉且路径光顺的喷涂路径。经过仿真与实验验证,提出干涉避免算法能有效避免喷涂过程中的干涉现象。对比未光顺路径,所提出算法机器人运行效率提高52.6%,机器人振动下降,运行更加平稳,其中关节加速度最大下降55.8%,最小下降2.9%,末端瞬时加速度最大下降39.6%,最小下降14.4%。     

机器人复杂曲面磨抛系统的构建及实验

针对机器人磨抛加工缺少工程实践的问题,根据人工砂带磨抛生产线,结合工业机器人的应用,设计并搭建了工业机器人复杂曲面砂带磨抛自动化生产系统。利用Robot Studio建立了该系统的模拟仿真环境,实现了加工轨迹的离线编程和在线模拟。以水龙头磨抛为对象进行加工检测,在粗磨和细磨后工件表面分别获得Ra=2.2672um和Ra=0.7616um的表面粗糙度。该结果完全满足零件表面磨抛加工要求,为工业机器人砂带磨抛系统的自主研发提供了理论依据和实验参考。     

复杂曲面机器人自动化研抛加工试验

为提高复杂曲面工件光整加工的效率和表面质量,搭建了以KUKA 30-3机器人为基体的自动化研抛平台并对复杂曲面工件进行了研抛加工试验。基于机器人工具坐标测量原理,针对本试验工件进行刀具坐标测量,利用CAD/CAM进行轨迹规划,采用一定倾角的弹性抛光盘进行研抛加工。试验结果表明,采用"XYZ-4点"方法确定刀具坐标系原点和采用ABC世界坐标法确定刀具坐标系姿态,实现了加工过程中研抛刀具沿研抛轨迹的精确走刀。CAD/CAM轨迹与姿态规划的自动生成代替了传统复杂、费时的示教方法,实现了加工过程的主动柔顺性,而弹性抛光盘的采用实现了被动柔顺性。采用该试验平台和方法实现了复杂曲面工件自动、高效、低成本的研抛加工。     

曲线上采样点分布策略研究

在用三坐标测量机进行复杂曲面检测过程中,曲面上采样点分布的好坏决定了曲面检测的效率和质量,而曲面主要由曲线构成。通过对曲线采样点的分布进行研究来提高曲面的检测效率和质量。在分析和讨论了曲线上采样点的一般采样方法后,提出了对曲线进行采样的新方法——斜率差自适应法。通过实例验证和分析结果证明,斜率差自适应法可以用简易的算法实现采样点分布随曲率的变化而变化,并且可以取得比较好的拟合曲线。     

4+2自由度叶片抛磨专用机器人轨迹规划方法研究

砂带抛磨作为复杂曲面叶片精密加工的最后一道工序,其加工质量直接影响叶片的服役性能和寿命。传统6自由度机器人多关节串联具有明显的弱刚性,在末端夹持大型叶片时抗变形能力欠佳。为此,文章自主设计研发了4+2自由度叶片抛磨专用机器人系统,并开展复杂曲面叶片抛磨轨迹规划方法研究。首先基于D-H法建立该机器人运动学模型,进行机器人运动学的正、逆解的求解;其次给出了综合考虑抛磨工具与工件曲率的干涉、刀路轨迹行距和轨迹点密度对残留高度的影响规律的轨迹规划方法,建立了2个单元的协同运动模型保证叶片的加工实现;最后通过叶片抛磨轨迹数控程序验证了所获得的抛磨轨迹的正确性。